新微机器人的研究现状与发展趋势

新微机器人的研究现状与发展趋势

微机器人的研究现状与发展趋势
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赵然,李艳文,赵铁石
燕(山大学机械工程学院,河北秦皇岛　066004)
摘要:微机器人学包括微型机器人和微动机器人,微纳/米技术的迅速发展促进了微机器人技术的发展。微机器人
在一些不便于人直接操作的狭窄环境如(管道)和微细作业技术中有广泛的应用,文中主要分析了微机器人特别是并联
微动机器人的国内外研究现状,提出了目前微动机器人研究的不足及发展趋势。
关键词:微机器人;并联微动机器人;发展趋势
中图分类号:TP242　　文献标识码:A　　文章编号:1001-2354(2009)02-0001-02
　　随着科学技术的发展,在生物、医疗科学、遗传工程、精细
加工、集成电路制造、光纤对接、CCD对接、航空航天等领域,迫
切需要人们开发一些工作对象是微小物体或其位姿微小改变
的微细作业技术,这些微细作业直接由人来操作是非常困难
的,所以必然要依靠微动机器人来完成;微纳/米技术及相关技
术的发展,也促进了微机器人学的发展。此外,微动机器人作
为微电子机械系统(MEMS)研究领域的重要分支,已受到国内
外学者的高度重视,具有广阔的应用前景。
1　微机器人的研究现状
微机器人学包括微型机器人和微动机器人[1]。两者相比,
微动机器人技术发展较快,因为微动机器人的外形尺寸不必很
小,它的大部分研究问题仍属宏观范畴。
微动机器人系统是指末端工具在一个较小的工作空间(如
mm尺度)内进行系统精度达到1～5μm或100 nm～1.0μm的
操作,被操作的主要对象是生物细胞、微电子元件、光纤等微观
尺度的物体。该系统进行的操作是微细的,而装置本身并不是
微型的,因此微动机器人系统一般由以下几个方面组成:高倍
频、高分辨率的显微视觉系统;对操作对象进行固定的作业平
台及夹持设备;能够改变操作对象位姿的多自由度操作机器人
手[2]。从20世纪80年代末期开始,国内外学者就已陆续研究
出多种不同结构的微动机器人。
在医疗应用领域,微机器人能有效地减轻病人在治疗时的
痛苦,有极好的应用前景。
2001年9月5日,世界第1台脑外科手术机器人在伦敦研
制成功[3],如图1所示。这台名叫“探路者”的机器人通过计算
机控制,操作准确无误,可减轻病人在手术时的痛苦。
德国PI公司也研制出用于脑部手术的微动机器人[4],如
图2所示。美国纽约的Com
ellU nviersiyt医学院已用微动机器
人进行了动物的输精管手术实验。法国于1995年研制了一种
医用管道微机器人,它的直径为1 cm,长度为3 cm,一端是可更
换的头部装置。美国加州理工大学研制了一种主动内窥检查
的微机器人,它的尾部带有电缆,其主体主要由支撑器和延展

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器组成,采用蚯蚓蠕动方式运动。意大利研制了用于结肠检查
的携带主动内窥镜的微机器人,由母体、微型手臂、人机接口组
成,母体由3个模块组成,其中2个模块起定位和支撑作用,1
个模块起伸缩作用。浙江大学研制出一种无损伤医用微机器
人,这种微机器人能以悬浮的方式进入人体内腔(如肠道),这
种方式可避免对人体内腔有机组织造成损伤,大大减轻了患者
的痛苦。美国M TI生物仪器实验室研制了一台称作“纳米步行
者”的3条腿无线微型机器人[3],可在亚原子级的范围内进行
操作。它的每条腿由4个压电陶瓷电子管驱动,在连续运动
时,还可以连续使用交替的三角形支撑,能够适应各种条件。
　　　　
图1　脑外科手术机器人图2　PI公司研制的脑部手术机器人
美国M TI人工智能实验室研制出一种微型器蚂蚁[4],如图
3所示。这个微小的蚂蚁体积只有16.386 2 cm3,但是却集成
了17个传感器,包括4个光敏元件、4个红外接收器、4个碰撞
传感器、4个食物传感器和1个倾斜传感器。
美国加州大学伯克力分校研制了微型机器人苍蝇[4],如图
4所示。这是迄今为止最小的可以拍打翅膀的机器人。这个微
型机器人苍蝇的翅翼只有3 cm,质量约300 mg,与一只蜜蜂的
质量相当,该计划是美国国防部投资的,希望用于战场侦察,它
还可用作气象传感器和通气管道检查员。
　
图3　微型器蚂蚁图4　微型机器人苍蝇
清华大学在周兆英教授的带领下于2001年研制出目前世
界最细的超声马达[3],质量36 mg,长5 mm,是一个直立的圆柱始运转时,它的“头部”均匀地旋转,
“脚底”则同时发出有韵律的振动。如图5所示。这种微马达
使微小机器人在人体血管内的移动成为可能。
图5　清华大学研制的微马达
2　并联微动机器人的研究状况
由于并联机器人相对串联机器人而言具有刚度大、结构稳
定、误差积累小、微动精度高等优点,早在1962年Ellis就建议
采用并联的压电陶瓷微动机器人而不采用串联结构。之后,为
了满足不同应用领域的需求,许多并联结构的微动机器人样机
系统相继诞生。
日本从1991年开始实施了一个为期10 a的微机械技术研
究开发计划,现已取得巨大的成绩。图6所示为日本通产省机
械技术研究所Tamio Tanikawa研制的用于细胞操作的双指6自
由度微操作机器人样机[5],该机器人采用的是SPS
副,613型
Stewart平台结构形式。Tam oi教授利用人使筷子的原理,将所
研制的2个微动机器人组成图示的串联结构形式,每个夹持器
完成不同的任务,安装在中间圆盘上穿过上平台中心孔的夹持
器相当于拇指边上的筷子,安装在上平台的夹持器相当于食指
边上的筷子,具有较大的工作

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空间,所以较容易控制物体位置。
此外,日本名古屋大学已研制出6自由度串联微操作机器人;
日本东京大学也已经研制出纳米级的机器人系统,用该台机器
人系统已做过超大规模集成电路的铝配线切割实验。
(a)并联微操作系统
(b)双指并联微操作手
图6　日本Tam oi Tankiawa研制的双指6自由度微操作机器人
瑞士EPFL研制出并联6自由度微动机器人,该微动机器
人由2自由度或多自由度的球面微电机通过压电式微传送器
驱动,用于在集成光纤底片上定位[5],如图7所示。
芬兰的Kallio研制了3自由度并联微动机器人,如图8所
示。该并联微动机器人由3个液压驱动系统驱动,定位精度
高[4]。美国Texas大学机械工程系Hudgens和Tesar等研制了
一个6自由度完全并联带柔性铰链的微动机器人[5],如图9所
示。该机构可用于精密的误差补偿和力控制。
Lee K2M对实现一移两转的3自由度并联微动机器人进行
了研究。Orion采用与其相同的机构,研制出由压电陶瓷驱动、
带柔性铰链的并联微动机构,如图10所示,该机构采用胡克铰
和一个转动副代替球铰,实现微型Delta机构的一体化,该机构
的最大特点是运动平台的姿态是定常的[5]。
图7　EPFL并联6自由度微动机器人
　
图8　芬兰Kallio研制的并联微动机器人
　　　
图9　Tesar研制的微动机器人图10　Oroin研制的微动机器人
与国外相比,国内在并联微动机器人方面的研究起步较
晚,主要有:
哈尔滨工业大学(H IT)研制了1台由压电陶瓷驱动的6自
由度并联微机器人(PPRM),它是6-P …… 此处隐藏：3310字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……